基于SiPM读出的切伦科夫探测器研究 李昕 中国科学技术大学近代物理系 2018/04/24 2019/4/9 2018重点实验室年会.

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1 基于SiPM读出的切伦科夫探测器研究 李昕 中国科学技术大学近代物理系 2018/04/24 2019/4/9 2018重点实验室年会

2 研究目标：采用硅光电倍增器（SiPM）读出的TOF探测器
切伦科夫飞行时间探测器由于快速、抗本底、适用性广泛成为新一代粒子探测器的一种主要鉴别手段。 SiPM本质上是工作在Geiger模式下的半导体探测器，相比传统PMT，它具有很多优点，包括：体积小、 机构紧凑、工作电压低、量子效率高、增益高、时间分辨好、对磁场不敏感等，且价格相对便宜。 研究目标： 用于新一代高亮度加速器物理实验，大面积，超高时间分辨（~30ps)，价格相对便宜 法国直线加速器实验室(LAL) 设计的一种切伦科夫探测器（DTOF），本征时间分辨30~40ps 2019/4/9 2018重点实验室年会

3 探测器性能预期 实现 /K/p 粒子分辨动量范围 ~ 2GeV/c 高亮度条件下的皮秒定时（~30ps) 强抗辐照能力，可应用于端盖探测器
体积较小，结构简单，价格适中 本底噪声低 切伦科夫辐射体 + 高速读出电子学 + SiPM 2019/4/9 2018重点实验室年会

4 研究方案 切伦科夫光辐射体特性研究方案 SiPM / MCP-PMT 读出电子学及定时方案 探测器原型性能模拟和束流测试
国产熔融石英晶体 SiPM / MCP-PMT 滨松公司S13360/ R3809U 读出电子学及定时方案 双阈值信号甄别定时 探测器原型性能模拟和束流测试 Geant4 模拟和CERN RD51合作组束流测试 2019/4/9 2018重点实验室年会

5 切伦科夫光辐射体 可产生切伦科夫辐射的材料种类繁多，从性价比和处理难度方面考虑，熔融石英材料是很好的选择之一。 高能带电粒子（β~1）穿过时石英玻璃，产生的切伦科夫光的最大辐射角为46.8度，波长主要紫外区间 （ nm），光产额约260/cm（与积分波长范围有关）。目前我们与国内厂家合作，已经完成小体 积高纯度熔融石英玻璃试制, 其紫外波段透过率可达到90%以上 全光谱透过率（尤其是紫外光）> 90% 所有表面平整度达到0.1毫米或更好  所有边缘斜面宽度小于2.5毫米  表面及侧面抛光质量达到200埃RMS（200 angstroms rms）  典型面到另一侧的垂直度：<0.1° 折射率1.15 2019/4/9 2018重点实验室年会

6 读出电子学：差分放大和双阈值前沿定时 为探讨皮秒信号的读出和分析方法，我们与和科大电子学课题组合作研制了一种程控差分放大器（PDA:带宽2.4G,增益6~26dB）和双阈差分甄别（Dual-threshold Differential Discriminator ，DDD)技术，低阈值测量信号前沿上升时间传递给TDC，高阈值测量信号峰值区别噪声和真实信号 Time resolution < 10ps Programmable Differential Amplifier Bandwidth 2.4GHz, Gain 6dB ~ 26.6dB Biasing network LVDS receiver 2019/4/9 2018重点实验室年会

7 GEANT4 模拟 Geant4 模拟方案: 大面积熔融石英/塑料闪烁(BC420)
SiPM (Hamamastu S13360) /MCP-PMT (R10754) 信号前沿定时阈值: 10pe 没有考虑噪声和几何接受面积影响 探测器本征时间分辨 ps Photon Hit Time Pulse signal 熔融石英 塑料闪烁体BC420 Photon Hit time 2019/4/9 2018重点实验室年会

8 与CERN-ALICE合作进行的超高时间分辨TOF原型束流测试
Rise time for 3200V readout by spectrometer Time resolution: 8.30ps PMT R3809U 熔融石英辐射体传导切伦科夫光 束流 PMT R3809U Rise time for 3200V readout by PDA&DDD Time resolution: 17.03ps 使用差分放大器 PDA LMH6881/2 &TDC 和示波器读出 2019/4/9 2018重点实验室年会

9 总结 采用MCP-PMT读出, 研制一种超高时间分辨飞行时间探测器。对切仑柯夫光辐 射体特性，高速读出电子学以及皮秒定时方法进行了研究，完成了一种高时 间分辨TOF原型。 CERN/ALICE RD51合作组束流研究，研制的探测器原型在CERN(H4 束流)测试结 果显示本征时间分辨达到<20ps。 模拟研究SiPM读出可行性. 由于目前SiPM噪声背景较大,对于紫外光量子效率 降低, 影响时间分辨. 随着SiPM性能不断改进, 有望应用于新的高时间分辨TOF 技术. 感谢重点实验室多方面支持! 2019/4/9 2018重点实验室年会